Завдання. 1. Визначити плато лічильника Гейгера-Мюллера, побудувавши залежність зареєстрованої

1. Визначити плато лічильника Гейгера-Мюллера, побудувавши залежність зареєстрованої інтенсивності гама-випромінювання від напруги, що подається на детектор.

2.Визначити чутливість газорозрядного і сцинтиляційного детекторів при оптимальних режимах їх роботи.

2.3 Теоретичні відомості

Дія всіх детекторів ядерного випромінювання, в тому числі і детекторів гама-випромінювання, базується на ефектах іонізації або збудження атомів чутливої речовини.

В газорозрядних детекторах використовується іонізаційний метод реєстрації ядерних випромінювань, який полягає у вимірюванні електричного струму, що виникає після іонізації газу зарядженою частинкою. Конструктивно газонаповнений лічильник (рис.2.1) складається із заповненого газом (переважно скляного) балону 1, в якому розташовано два електроди. Внутрішня стінка балону напилюється графітом, вольфрамом чи міддю і служить катодом 2:по осі балону розміщується анод 3 у вигляді металевої нитки.

На лічильник подається постійна напруга 300-1200В. В якості газового наповнювача балону використовують інертний газ з парами високомолекулярних органічних сполук (спиртів, ефірів) чи галогенів (хлор,бром). Тиск газу в балоні складає близько 10⁴Па.

При взаємодії гама-квантів з матеріалом катода (фото-, комптон-ефект) утворюються електрони, які під дією електричного поля рухаються до анода, іонізуючи на своєму шляху молекули газу. Заряджені частинки (іони та електрони), рухаючись до відповідних електродів, викликають появу в детекторі іонізаційного струму.

1-скляний балон; 2-катод; 3-анод.

Рис.2.1 - Будова і схема ввімкнення газорозрядного детектора

Розглянемо вольт-амперну характеристику газонаповнених детекторів (рис.2.2), яка являє собою залежність іонізаційного струму І від напруги Uміж електродами.

В першій області внаслідок низької напруги на електродах
значна частина заряджених частинок (іонів та електронів) не досягає відповідних електродів, рекомбінуючись(тобто возз'єднуючись)
в нейтральні молекули.

Починаючи з деякої напруги Uн іонізаційний струм в детекто­рі досягає насичення і практично не змінюється при збільшенні Uв певних межах. Це пов’язано із підвищенням кінетичної енергії заря­джених частинок, що дозволяє практично всім їм досягати електро­дів. Лічильники, які працюють в області насичення, називаються іонізаційними камерами.

Подальше збільшення напруги (третя область) приводить до зростання іонізаційного струму за рахунок вторинної іонізації, коли електрони після іонізації одних молекул газу встигають під дією електричного поля набрати швидкість, достатню для іонізації інших молекул газу. Внаслідок вторинної іонізації відбувається лавиноподібне збільшення кількості заряджених частинок. Відношен­ня заряду, що утворився на електродах, до первинного заряду нази­вається коефіцієнтом газового підсилення, який може досягати ве­личин 104 -107. В цій області працюють пропорційні лічильники.

Області: І-рекомбінації, ІІ-насичення, ІІІ-пропорційності, ІV-обмеженої пропорційності, V-Гейгера-Мюллера, VІ -самочинного розряду; частинки з енергіями: 1-високими,2-низькими.

Рис.2.2- Вольт-амперна характеристика газонаповнених детекторів

В четвертій області в інтервалі напруг 1)пропорційність між величиною імпульсу струму на виході детектора і початковою іонізацією порушується: чим більша енергія іонізуючої частинки, тим менший коефіцієнт газового підсилення.

В п'ятій області величина струму стає незалежною від енергії іонізуючих частинок. Детектори, які працюють в такому режимі, на­зиваються лічильниками Гейгера-Мюллера.

При подальшому збільшенні напруги (шостаобласть) відбувається самочинний безперервний газовий розряд, який виникає без впливу зовнішнього іонізуючого випромінювання тільки за рахунок наявності потужного електричного поля.

В геофізичній апаратурі для вимірювання інтенсивності нейтронного і гама-випромінювання використовують газорозрядні детектори, які працюють в областях пропорційності і Гейгера-Мюллера.

Основна робоча характеристика газорозрядного детектора - це його лічильна характеристика, що являє собою залежність кількості зареєстрованих детектором імпульсів від поданої на електроди напруги. В інтервалі напруг, який носить назву плато лічильника, швидкість рахунку практично не залежить від величини поданої напруги. В газорозрядних детекторах Гейгера-Мюллера протяжність плато складає 200-300 В з кутом його нахилу 5-10% на 100 В. Робоча напруга детектора відповідає напрузі середини плато.

Ефективність детектора - це відношення кількості зареєстрованих частинок до загальної кількості частинок, що досягли детектора. Підвищення ефективності детектора досягається збільшенням робочої поверхні катода, наприклад, паралельним з'єднанням декількох газорозрядних детекторів.

Мертвий час детектора - це проміжок часу,протягом якого неможлива реєстрація наступної зарядженої частинки, що зв'язано з низькими швидкостями руху важких катіонів (на відміну від електронів) в напрямку від аноду до катоду і, значить,відносно повільним розформуванням чохла позитивних іонів біля анода. Мертвий час газорозрядних детекторів становить біля 104 с.

До переваг газорозрядних лічильників слід віднести:

- високу термостабільність:

- достатньо високу потужнієш амплітуда імпульсів на виході може досягати десятків вольт);

- незначну залежність показів від нестабільності напруги живлення. (завдяки достатньо широкому плато).

Недоліки газорозрядних лічильників:

- невисока ефективність рахунку(декілька відсотків): мала роздільна спроможність;

- недовговічність (через розпад молекул катодного покриття і високомолекулярних газових наповнювачів).

Сцинтиляційний детектор (рис.2.З конструктивно складається із сцинтилятора 1 і фотоелектронного помножувача 2.

1- сцинтилятор; 2- фотоелектронний помножувач: 3- фотокатод; 4- диноди; 5- анод.

Рис.2.3 - Принципова схема сцинтиляційного детектора

Сцинтилятором служить неорганічний напівпрозорий монокристал (в основному NaІ, активований Тl), який випромінює світловий квант при проходженні крізь нього елементарної частинки чи гама-кванта. Фотони із сцинтилятора попадають на фотокатод і вибивають з нього фотоелектрони, які під дією електричного поля спрямовуються до одного з динодів. Внаслідок вторинної електронної емісії кожний електрон вибиває з динода вторинні електрони, які,в свою чергу, при попаданні на наступний динод також викликають вторинну електронну емісію. Таким чином, кількість вторинних електронів лавиноподібно збільшується, і при попаданні їх на анод реєструється відповідний електричний імпульс.

Лічильна характеристика сцинтиляційного детектора, на відміну від газорозрядного, має коротке плато, і тому дляживлення детектора використовується високостабілізована напруга.

Переваги сцинтиляційних лічильників над газорозрядними:

- висока ефективність лічби (до20-40%);

- менший мертвий час (біля 10^-7 с),і, як наслідок, більша швидкість рахунку;

- залежність амплітуди імпульсів на виході детектора від енергії гамма-випромінювання, що дозволяє проводити спектрометричні дослідження;

- невеликі розміри.

Недоліки сцинтиляційних детекторів - низька термостабільність а також висока гігроскопічність сцинтилятора, яка призводить до його помутніння.

Дата добавления: 2015-10-16